风电齿轮箱平行级齿根裂纹故障振动特性分析及试验研究

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风电齿轮箱是风电机组的关键核心传动部件,常安装在狭窄的机舱内部,需要在阵风、湍流风等恶劣环境下长期运行,会受到输入扭矩波动、时变啮合刚度以及时变传动误差等复杂的多源内外激励影响,造成风电齿轮箱传动系统中齿轮、轴等构件承受明显的交变载荷。其中,齿轮箱平行级齿轮转速高、受载频繁,弯曲应力循环和应力集中效应容易导致齿根产生裂纹甚至断齿故障。据统计,风电齿轮箱38%的故障出现在平行级传动系统,因此开展风电齿轮箱平行级齿根裂纹故障振动特性分析有助于提前发现风电齿轮箱早期故障,保障风电机组运行安全。论文以某型5 MW风电齿轮箱平行级为研究对象,推导了含穿透型/非穿透型齿根裂纹的齿轮时变啮合刚度方程,分别考虑齿根裂纹扩展方向与扩展路径对其影响规律,结合齿轮副时变传动误差、传动轴柔性与轴承支撑刚度,建立了风电齿轮箱平行级系统动力学模型,分析了齿根裂纹模式对风电齿轮箱平行级动态特性的影响规律,研究了含齿根裂纹故障的风电齿轮箱平行级故障特征识别方法,并通过试验对理论分析进行了验证。研究结果对风电齿轮箱早期故障诊断具有重要的理论指导意义。论文主要研究工作如下:(1)以某型5 MW双馈异步风力发电机的齿轮箱平行级为研究对象,考虑齿根过渡圆弧,采用势能法分别推导了含穿透型齿根裂纹/非穿透型齿根裂纹的齿轮时变啮合刚度方程;利用有限单元法,建立考虑传动轴柔性、轴承支承刚度、齿轮副时变啮合刚度与传动误差的风电齿轮箱平行级系统动力学模型。(2)分析了穿透型齿根裂纹扩展深度及非穿透型齿根裂纹沿齿宽方向扩展宽度的变化对齿轮副时变啮合刚度的影响规律;基于风电机组整机动力学模型,获取了不同风况下的风电齿轮箱平行级系统输入载荷,研究了稳态与湍流风况下齿根裂纹模式对风电齿轮箱平行级小齿轮节点处动态特性的影响规律。(3)基于风电齿轮箱平行级输入轴与输出轴各节点处位移振动信号的时频域特征,构建了风电齿轮箱平行级齿根裂纹故障振动特征集;提出了基于广义BP神经网络模型的齿根裂纹模式识别方法,分析了稳态与湍流风况下广义BP神经网络对风电齿轮箱平行级齿根裂纹模式识别的效果。(4)开展了含齿根裂纹故障的平行级齿轮系统振动响应试验研究,搭建了平行轴齿轮系统振动响应测试系统,分析了不同裂纹模式下的振动响应特征,利用广义BP神经网络模型对不同裂纹模式的实测信号进行故障特征识别,验证模型的准确性及有效性。
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